(57)【要約】【課題】固体電解質型燃料電池から排出されるガス中の燃料ガスを低減する固体電解質型燃料電池を提供する。【解決手段】混合ガスによって発電するスタック２と、スタック２と直列に連結し、スタック２から排出された混合ガスによってよって発電するスタック３と、スタック３の上流側へ新たに空気を導入する空気導入マニホールド１３と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと、酸化剤ガスと、の混合ガスによって発電可能な第１の固体電解質型燃料電池と、
前記第１の固体電解質型燃料電池に前記燃料ガスを導入する燃料ガス導入マニホールドと、
前記第１の固体電解質型燃料電池に前記酸化剤ガスを導入する第１の酸化剤ガス導入マニホールドと、
前記第１の固体電解質型燃料電池と前記混合ガスの流れ方向に対して直列に連結し、前記第１の固体電解質型燃料電池から排出された混合ガスによって発電可能な第２の固体電解質型燃料電池と、
前記第２の固体電解質型燃料電池へ新たに酸化剤ガスを導入する第２の酸化剤ガス導入マニホールドと、を備えたことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記第１の固体電解質型燃料電池に供給する前記混合ガスは、前記酸化剤ガスの割合が前記燃料ガスの発火濃度以下であることを特徴とする請求項１に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
前記第１の固体電解質型燃料電池と前記第２の固体電解質型燃料電池とを連結し、前記第１の固体電解質型燃料電池から排出された前記混合ガスを前記第２の固体電解質型燃料電池へと導く連結部を備え、
前記第２の酸化剤ガス導入マニホールドは、前記連結部内へ突出し複数の連通孔を介して前記酸化剤ガスを導入する突出部を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項４】
前記第２の酸化剤ガス導入マニホールドと前記第２の固体電解質型燃料電池との間に、前記第１の固体電解質型燃料電池から排出された混合ガスと前記第２の酸化剤ガス導入マニホールドから導入された前記酸化剤ガスとを混合するガス拡散手段を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項５】
前記ガス拡散手段は、前記混合ガスの流れ方向に対して、交差する方向に設けられ、複数の貫通孔を有する板状部材であることを特徴とする請求項４に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項６】
前記燃料ガス導入マニホールドは、前記第１の酸化剤ガス導入マニホールドの外壁部に連結し、
前記燃料ガス導入マニホールドが連結する前記外壁部は、前記第１の酸化剤ガス導入マニホールドに前記燃料ガス導入マニホールドからの前記燃料ガスを導入する複数の連通孔を備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の固体電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体電解質型燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと空気とを予め混合し、この混合ガスを固体電解質型燃料電池に供給して、発電を行う単室型の固体電解質型燃料電池が、特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特願２００２−２８００１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
単室型の固体電解質型燃料電池（以下、燃料電池とする）へ導入する燃料ガスと空気との混合ガスは、燃料ガスが完全に消費される空気量よりも少ない、いわゆる燃料リッチの状態で供給される。これは、燃料ガスの発火によるすすなどの生成を抑制し、燃料電池の温度過多による燃料電池の劣化を防止するためである。燃料ガスの種類や温度、電極に使用される触媒によって変化するが、燃料ガスを完全に消費する際に必要となる空気量を１とした場合に、混合ガス中の空気量は、約０．４以下に制限される。しかし、空気量を制限すると燃料電池から未燃の燃料ガス、または燃焼途中の燃料ガスが排出されることになり、燃費が悪化するといった問題が生じる。
【０００４】
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、燃料ガスと空気との混合ガスによって発電を行う燃料電池から排出される未燃の燃料ガスを低減し、燃料電池システムでの発電効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明では、固体電解質型燃料電池において、燃料ガスと、酸化剤ガスと、の混合ガスによって発電可能な第１の固体電解質型燃料電池と、第１の固体電解質型燃料電池に燃料ガスを導入する燃料ガス導入マニホールドと、第１の固体電解質型燃料電池に酸化剤ガスを導入する第１の酸化剤ガス導入マニホールドと、第１の固体電解質型燃料電池と混合ガスの流れ方向に対して直列に連結し、第１の固体電解質型燃料電池から排出された混合ガスによって発電可能な第２の固体電解質型燃料電池と、第２の固体電解質型燃料電池へ新たに酸化剤ガスを導入する第２の酸化剤ガス導入マニホールドと、を備えた。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によると、第１の固体電解質型燃料電池から排出された混合ガスに、第２の酸化剤ガス導入マニホールドから新たに酸化剤ガスを導入して、第２の固体電解質型燃料電池に混合ガスを導入することで、第１の固体電解質型燃料電池から排出される混合ガス中の燃料ガスを、第２の固体電解質型燃料電池で効率良く消費することができるので、固体電解質型燃料電池における発電効率を良くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の第１実施形態の燃料電池（固体電解質型燃料電池）１を有する燃料電池システムについて図１の概略構成図を用いて説明する。
【０００８】
燃料電池システムは、スタック（第１の固体電解質型燃料電池）２とスタック（第２の固体電解質型燃料電池）３との２つのスタックから構成する燃料電池１と、スタック２へ供給する燃料ガスなどを温める熱交換器４と、スタック２に炭化水素などの燃料を導入するためのポンプ５と、スタック２に酸化剤として空気を導入するコンプレッサ６と、水を導入するポンプ７と、スタック３に新たに空気を導入するコンプレッサ８と、ポンプ５、７およびコンプレッサ６、８における燃料ガスなどの流量を制御するコントローラ９と、を備える。
【０００９】
燃料電池１について、図２、図３の概略構成図を用いて説明する。図２は燃料電池１の正面概略図であり、図３は燃料電池１の上面概略図である。
【００１０】
燃料電池１は、スタック２と、スタック３と、スタック２に燃料ガスと加湿した空気との混合ガスを導入する導入マニホールド１０と、スタック２とスタック３とを混合ガスの流れ方向に対して直列に連結する連結部１１と、スタック３から発電反応に使用されなかった混合ガスを排出する排出マニホールド１２と、スタック３に新たに空気を導入する空気導入マニホールド（第２の酸化剤ガス導入マニホールド）１３と、を備える。
【００１１】
スタック２について、図４の概略構成図を用いて説明する。スタック２は、電解質２０と、電解質２０を挟持する燃料極２１と空気極２２と、燃料極２１と空気極２２との外側にガス透過性多孔質からなるガス拡散層２３と、を備え、これらを積層して構成される。また、スタック２の外周の一部には、図２、３に示すように、スタック２の短絡を防止するインシュレータ２４を備える。
【００１２】
電解質２０は、例えばイットリア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、セリア安定化ジルコニア、世羅、ビスマス酸化物、マグネシア、アルミナ等である。この実施形態では、８ｍｏｌ％のＹ２Ｏ３を含むＺｒＯ２粉末を焼成したものを用いる。
【００１３】
燃料極２１は、炭化水素を部分酸化する触媒金属と酸素イオン電解質からなる。触媒金属としては、ニッケル、白金、パラジウム、ロジウム等である。電解質としては、イットリア安定化ジルコニア、カルシア安定化ジルコニア、スカンジア安定化ジルコニア、セリア安定化ジルコニア、セリア、ビスマス酸化物、マグネシア、アルミナ等である。
【００１４】
燃料極２１の電極に含まれる触媒金属と酸素イオン電解質の比率は、触媒金属による炭化水素酸化活性および電子伝導性が得られるように、触媒金属及び固体酸化物電解質の材質に応じて選択する。この実施形態では燃料極２１として、例えばＮｉ担持セリア安定化ジルコニアを調製した。Ｎｉ担持セリア安定化ジルコニアにおいて、Ｎｉの比率は、３５ｗｔ％以上８５ｗｔ％以下が好ましい。７５ｗｔ％のＮｉＯ粉末と、８ｍｏｌ％のＹ２Ｏ３を含む２５ｗｔ％のＺｒＯ２と、をボールミルで２４時間混合粉砕した。得られた粉末を１４００℃で２時間焼成し、燃料極２１用の粉末として用いる。
【００１５】
空気極２２は、炭化水素酸化活性が低い又は活性を有しない材料であり、かつ、酸素分子に電子を供給してイオン化し、酸素イオンを電解質２０中へ溶け込ませる機能を有する材料を用いる。空気極２２の材料組成としては、ストロンチウムをドープしたＬｎ1-XＳｒxＣｏＯ3±δを用いる。（ただし、Ｌｎは希土類元素であり、Ｌａ、Ｓｍを用いることが好ましい。０．２≦ｘ≦０．８、δは酸素欠損等の量であって、０≦δ＜１）この実施形態では、ボールミルで２４時間粉砕したＬａ0.5Ｓｒ0.5ＣｏＯ3±δ粉末を空気極２２として用いる。
【００１６】
ガス拡散層２３はガス透過性多孔質の部材であり、ニッケルメッキを施した厚さ２ｍｍのポーラスアルミナ盤である。ガス拡散層２３は、混合ガスの流通性を確保するため、気孔率が少なくとも７０％以上必要であり、この実施形態では、気孔率８０％のポーラスアルミナ盤を用いた。なお、ガス拡散層２３としては、電気伝導性、気体の流通性、耐熱性を有する物であれば、特に限定されることはない。
【００１７】
スタック２に供給された混合ガスは、ガス拡散層２３を介して、燃料極２１または空気極２２に供給され、混合ガスに含まれる燃料ガスまたは空気が、燃料極２１または空気極２２によって選択的に消費される。
【００１８】
なお、スタック３についてはスタック２と同様の構成なので、ここでの説明は省略する。
【００１９】
熱交換器４は、スタック３から排出された排出ガスを例えば燃焼触媒などによって燃焼させる燃焼器を有しており、排出ガスの燃焼によって生じた熱によって、スタック２へ供給する燃料ガス、空気、水を加熱する。これによって、燃料ガスを完全に燃焼させた後に、燃料電池システムの外部へガスを排出する。
【００２０】
導入マニホールド１０について図５の概略構成図を用いて説明する。導入マニホールド１０は、空気を導入する空気導入マニホールド（第１の酸化剤ガス導入マニホールド）３０と、燃料ガスを供給する燃料導入マニホールド（燃料ガス導入マニホールド）３１と、空気と燃料ガスとを混合させる混合部３２と、スタック２と連結する連結部３３と、を備える。
【００２１】
燃料導入マニホールド３１は、その一部が空気導入マニホールド３０に突出しており、空気導入マニホールド３０内に燃料ガスを導入することで、空気と燃料ガスとが混合し、混合ガスを形成する。
【００２２】
混合部３２は、燃料導入マニホールド３１が空気導入マニホールド３０内に突出する箇所よりも、スタック２側、つまり混合ガスの流れ方向に対して下流側に設けられ、空気導入マニホールド３０よりも空気の流れ方向に対する断面面積を小さくして設けられる。これにより、燃料ガスと空気とを更に均一に混合することができる。
【００２３】
空気導入マニホールド１３は、連結部１１の内部へスタック２から排出された混合ガスの流れ方向と交差する方向に延設する空気導入配管（突出部）４０を備える。
【００２４】
空気導入配管４０は、連結部１１へ空気を導入する導入孔（連通孔）４１を複数有しており、連結部１１の内部へ延設した先端部は閉塞している。これによって、空気導入配管４０から連結部１１を流れるスタック２から排出された排出ガスに新たな空気を導入することができる。
【００２５】
以上の構成によって、直列に連結するスタック２とスタック３とにおいて、スタック３の直上流から、新たな空気を導入することができる。
【００２６】
スタック２に導入された混合ガスは、スタック２のガス拡散層２３を介して、燃料極２１と空気極２２とに拡散し、スタック２の発電反応によって、燃料極２１では燃料ガスが消費され、空気極２２では空気中の酸素が消費される。なお、混合ガスの流量は、燃料電池１に要求される出力（発電量）に応じて設定され、さらに混合ガスにおける燃料ガスと空気ガスとの比率である空気ストイキ比ＳＲが０．４〜０．５となるように燃料ガスと空気の流量が制御される。空気ストイキ比ＳＲは、燃料を完全に燃焼させるために必要な空気量を供給した場合を１とする。つまり、スタック２に供給する混合ガスにおいては、燃料ガスをリッチな状態で供給する。なお、空気ストイキ比ＳＲは、混合ガス中の空気の割合が燃料ガスの発火濃度以下となるように設定する。これにより、スタック２において、燃料ガスの発電反応以外の燃焼反応によって生じるすすなどの生成を抑制する。また、燃料ガスの反応、または燃焼による温度過多を防止し、燃焼熱による燃料極２１または空気極２２の触媒金属、電解質２０などの劣化を抑制することができる。
【００２７】
スタック２に供給する混合ガスの空気ストイキ比ＳＲを０．４〜０．５とするので、スタック２から排出される排出ガス（以下、混合ガスとする）には、燃料ガスが含まれる。
【００２８】
この実施形態では、スタック２とスタック３とを直列に連結する連結部１１において空気導入配管４０から空気を新たに導入する。このとき、スタック３へ供給する混合ガスの空気ストイキ比ＳＲを０．４〜０．５とする。空気導入配管４０に複数の導入孔４１を設けることで、空気導入配管４０から導入された空気と、混合ガスと、の混合を促進することができる。これにより、スタック３へ供給する混合ガス中の燃料ガスと空気とのバラツキを低減し、スタック３における発電反応を均一に行うことができ、発電効率を良くすることができる。
【００２９】
スタック３に供給する混合ガスの空気ストイキ比ＳＲは、スタック２に供給する混合ガスの空気ストイキ比ＳＲよりも大きくすることが望ましい。つまり、スタック３に供給する混合ガスの空気量を多くすることが望ましい。スタック２から排出される混合ガスには、スタック２における発電反応の生成物であるＣＯ２やＨ２Ｏが含まれるため、混合ガス中の酸素濃度が低下する。そのため、スタック３へ供給する混合ガスの空気ストイキ比ＳＲはスタック２へ供給する混合ガスの空気ストイキ比ＳＲよりも大きくする。
【００３０】
この実施形態においてもスタック３から排出される排出ガス中には未燃燃料ガスが含まれるが、その割合を低減することができ、燃料電池１における発電効率を良くすることができる。また、スタック３から排出された排出ガスは、熱交換器４へ供給され、熱交換器４において燃焼される。この時生じる熱によって、スタック２へ供給する燃料ガス、空気、水を加熱するが、スタック２、３と複数のスタックを設け、スタック３の上流から空気導入配管４０によって、スタック３から新たに空気を導入することで、スタック２から排出される混合ガス中の未燃燃料ガスを調整することができ、熱交換器４における燃料ガス、空気、水の加熱を調整することができる。
【００３１】
なお、スタック３の直上流側にスタック２から排出された混合ガスと空気との混合をさらに促進するための貫通孔を有する多孔板、ポーラス材などの板状部材（ガス拡散手段）を設けても良い。これにより、スタック３に供給する混合ガス中の燃料ガスと空気とのバラツキを小さくし、スタック３における発電効率をさらによくすることができる。
【００３２】
この実施形態では、燃料電池の運転圧力を２５０ｋＰａとする。この実施形態における発電効率は約５０％であり、燃料電池１の出力密度は２．７ｋＷ／Ｌとなった。スタック２のみによって発電を行った場合には、空気ストイキ比ＳＲを０．３５とすると、発電効率は約１８％であり、出力密度は１．０ｋＷ／Ｌとなった。
【００３３】
この実施形態では、２つのスタック２、３を有する燃料電池１について説明を行ったが、スタックの数はこれらに限られることはない。
【００３４】
本発明の第１実施形態の効果について説明する。
【００３５】
スタック２とスタック３とを連結部１１によって混合ガスの流れ方向に対して直列に連結し、空気導入配管４０によってスタック３よりも上流側において、スタック２から排出された混合ガスに新たに空気を導入する。これによって、スタック２におけるすすの生成を抑制し、スタック２における温度過多を抑制するためにスタック２に供給する混合ガスの空気ストイキ比ＳＲを低くした場合でも、スタック２から排出される混合ガス中の燃料ガスをスタック３によって消費し、燃料電池１から排出される排出ガス中の燃料ガスの割合を少なくし、燃料電池システムの発電効率を良くすることができる。
【００３６】
空気導入配管４０は複数の導入孔４１を有することで、スタック２から排出された混合ガスと、空気導入配管４０によって新たに導入される空気と、の混合を促進し、スタック３に導入する混合ガス中の燃料ガスと空気とのバラツキを小さくし、スタック３における発電効率を良くすることができる。
【００３７】
次に本発明の第２実施形態について図６を用いて説明する。図６は、この実施形態の導入マニホールド５０の概略構成図である。この実施形態は、スタック２に燃料ガスと空気とを導入する導入マニホールド５０が第１実施形態と異なるものである。その他の構成については第１実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。
【００３８】
導入マニホールド５０は、空気を導入する空気導入マニホールド５１と、燃料ガスを導入する燃料導入マニホールド５２と、から構成する。
【００３９】
空気導入マニホールド５１は、スタック２に連結しスタック２へ空気を導入する。また、スタック２の近傍となる空気導入マニホールド５１の外壁部５２ａには、燃料導入マニホールド５２が連結しており、外壁部５２ａには、燃料導入マニホールド５２とスタック２とを連通する複数の連通孔５３を備える。
【００４０】
また、空気導入マニホールド５１とスタック２との間に多孔板、ポーラス材などの混合部５４を備える。
【００４１】
燃料導入マニホールド５２から連通孔５３を介して空気導入マニホールド５１内に導入された燃料ガスと、空気導入マニホールド５１によって導入され、加湿した空気とが、混合して混合ガスを形成する。さらに混合部５４によって、混合ガスはさらに混合が促進され、スタック２に供給される。
【００４２】
この実施形態では、燃料電池の運転圧力を２５０ｋＰａとする。また、スタック２に供給する混合ガスの空気ストイキ比ＳＲを０．３５とする。また、空気導入マニホールド１３からスタック３へ導入する空気ストイキ比ＳＲを０．６５とする。
【００４３】
この実施形態では空気導入マニホールド５１の外壁部５１ａに燃料導入マニホールド５２を連結したが、これとは逆に燃料導入マニホールドの外壁部に空気導入マニホールドを連結してもよい。
【００４４】
本発明の第２実施形態の効果について説明する。
【００４５】
空気導入マニホールド５１の外壁部５２ａに燃料導入マニホールド５２を連結し、外壁部５２ａに複数の連通孔５３を設け、空気導入マニホールド５１と燃料導入マニホールド５２とを連通させる。そして、連通孔５３によって、スタック２の直上流側の空気導入マニホールド５１へ燃料ガスを導入し、混合ガスを形成する。これによって、スタック２へ導入する際に、混合ガスの圧力損失を低減し、スタック２へ混合ガスを供給するためのエネルギーロスを低減し、燃料電池システムのエネルギー効率を良くすることができる。
【００４６】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態の燃料電池の概略構成図（正面概略図）である。
【図３】本発明の第１実施形態の燃料電池の概略構成図（上面概略図）である。
【図４】本発明の第１実施形態のスタックの概略構成図である。
【図５】本発明の第１実施形態の導入マニホールドの概略構成図である。
【図６】本発明の第２実施形態の導入マニホールドの概略構成図である。
【符号の説明】
【００４８】
１      固体電解質型燃料電池
２      スタック（第１の固体電解質型燃料電池）
３      スタック（第２の固体電解質型燃料電池）
１１    連結部
１３    空気導入マニホールド（第２の酸化剤ガス導入マニホールド）
３０、５１    空気導入マニホールド（第１の酸化剤ガス導入マニホールド）
３１、５２    燃料導入マニホールド（燃料ガス導入マニホールド）
４０    空気導入配管（突出部）
４１    導入孔（連通孔）
【図１】
2007323894.tif 000003
【図２】
2007323894.tif 000004
【図３】
2007323894.tif 000005
【図４】
2007323894.tif 000006
【図５】
2007323894.tif 000007
【図６】
2007323894.tif 000008